Type 212 osztály (Németország) / U212 Todaro

Hidrogén

2021-03-06-09-31-32-Window.jpg

HDW a hidrogén tárolása (fémhidridben)[1]

N-vtelen-4.jpg

Fémhidrid tároló[2]

A fémhidridek képesek szerkezetükben lekötni és eltárolni, majd melegítés hatására kiereszteni a hidrogént. Az üzemanyag cellához szükséges hidrogént a Howaldtswerke-Deutsche Werft által kifejlesztett Titán és Mangán ötvözet[3] porózus fémhidridjében tárolják, ahol hidrogénatom az átmenetifém ötvözet rácsában, hézagaiban oldódik.

p2.jpg

Fém-hidrid tartályok[4]

N-vtelen-3.jpg

U212 osztály fémhidrid tárolók[5]

A 212A típusú tengeralattjárók gépterem körül (oldalt és alul), a nyomásálló testen kívül építették be a fél méter átmérőjű[6] HDW fémhidrid tartályokat, amiket három telepbe rendeztek.

Számítsuk ki a HDW által gyártott tartályok mekkora össztömeget jelentenek. Mivel a hidrogén atomtömege 1g/mol, az oxigéné 16g/mol, és a reakció végterméke víz (H₂O), így a szükséges hidrogén (2∙1g/16g) tömege ⅛-a az oxigénnek. Mivel a két Linde tartályban becslésem szerint összesen 40t oxigént szállítanak, 5t hidrogén tárolására van szükség. Mivel a fémhidrid tömegarányosan 2%[7] hidrogént képes tárolni, az 5t hidrogén tárolására 250t fémhidrid szükséges.


AIP rendszer

2021-03-06-10-34-42-Window.jpg

A 212-es tengeralattjáró üzemanyagcellás rendszerének sematikus ábrázolása[8]

2021-03-06-11-21-25-Window.jpg

U-212 metszet[9]

A teljes üzemanyag cella meghajtó rendszer becslésem szerint a következő főbb elemekből áll:

2021-03-10-06-57-39-Window.jpg


A komponensek össztömege 325t, a tengeralattjáró teljes 1450t tömegének 22%-a.


[1] Einsatz von Brennstoffzellen und deren Energiespeicherung für den Unterwassereinsatz - Meeresforschungstechnik 2000 plus, 1. Nordeutsches Symposium – 7. oldal
[2] ThyssenKrupp techforum 1/2006 – 69. oldal
[3] ThyssenKrupp techforum 1/2006 – 69. oldal
[4] DFATR-PEMFC The Probable AIP Structure of Submarine SMX® Ocean (concept) - Bakst System Engineering & Consulting – 6. oldal
[5] HYBRID NUCLEAR/FUEL-CELL SUBMARINE - LIEUTENANT R. H. GOODENOUGH ROYAL NAVY MINISTRY OF DEFENCE UK – 8. oldal
[6] Einsatz von Brennstoffzellen und deren Energiespeicherung für den Unterwassereinsatz - Meeresforschungstechnik 2000 plus, 1. Nordeutsches Symposium – 7. oldal
[7] ThyssenKrupp techforum 1/2006 – 69. oldal
[8] Einsatz von Brennstoffzellen und deren Energiespeicherung für den Unterwassereinsatz - Meeresforschungstechnik 2000 plus, 1. Nordeutsches Symposium – 2. oldal
[9] https://i.pinimg.com/originals/b8/92/10/b892106ee7dd9f99db93f16f047019dc.jpg
 
  • Tetszik
Reactions: endre, borisz, Gspzoli and 18 others
csakb said:
Mert jóval nagyobb tárolási sűrűséget lehet elérni kémiai kötéssel, mint ha nagynyomású tartályban, vagy akár cseppfolyósítva tárolnák. Utóbbihoz nem mellesleg brutális hűtés is kell.


1024px-Storage_Density_of_Hydrogen.jpg
Kattints ide a kinyitáshoz...
Eh, már nem tudom szerkeszteni. Szóval a cseppfolyósítás is nyilván jó a sűrűség jelentős növelésére, de műszakilag nagy kihívás lenne ezt huzamosabb ideig megvalósítani egy tengón, vagy autóban.
 
  • Tetszik
Reactions: endre and Janaj
csakb said:
Mert jóval nagyobb tárolási sűrűséget lehet elérni kémiai kötéssel, mint ha nagynyomású tartályban, vagy akár cseppfolyósítva tárolnák. Utóbbihoz nem mellesleg brutális hűtés is kell.


1024px-Storage_Density_of_Hydrogen.jpg
Kattints ide a kinyitáshoz...

Pontosan.
Az oxigén forráspontja -182°C, a hidrogéné viszont -252°C, alig 20 K.
Lehet tárolni 700bar-os nyomáson brutál kompozit tartályban pár litert gépjárművek számára (ha valaki be mer oda ülni), de a tengók számára sokkal nagyobb mennyiségre van szükség.
 
  • Tetszik
Reactions: endre, wankel and ZeiG

Hpasp​


Az adatokat olvasva lehet jobban jártak volna egy 1-2 tonnás dízel motorral , 20 tonna üzemanyaggal meg még 300 tonna aksival.
 
Az 5 tonna letárolt hidrogén kb. 20 tonna dízellel egyenértékű ha a dízel motor alacsonyabb hatásfokát nézzük.
Az NiMH aksi 60-120 Wh/kg-ot tud. Az egyszerűség kedvéért legyen ez a szám 100 Wh/kg.
Ez 300 tonna NiMH aksi esetén 30 MWh.
Ez kb. 30-50 óra tisztán elektromos üzem a víz alatt. És ebben még nincs benne az eddig beépített aksik kapacitása.
Azért ezt az aksit választottam mert ez már ismert volt a Type 212 tervezésének az idején.

A régebbi Ni-Cd aksi esetén ez fele ennyi, 15 MWh.
Az újabb lítiumos aksik esetén ez akár 50+ Mwh is lehet.
Engem eddig nem győzött meg az AIP.
 
  • Tetszik
Reactions: LMzek 2.0

Hpasp​


Tök jó ez a táblázat. Bele van számolva a 250 tonnás tároló meg a 40 tonna oxigén is? :)
 
fip7 said:

Hpasp​


Tök jó ez a táblázat. Bele van számolva a 250 tonnás tároló meg a 40 tonna oxigén is? :)
Kattints ide a kinyitáshoz...

Kiszámolhatjuk... :D
5t hidrogén energiatartalma 33.3kWh/kg x 5000kg x 59% (PEM cella hatásfok) = 98MWh
Az egész hóbelevanc AIP egység tömege becslésem szerint 325t.
Vagyis az egész PEM cellás energiatárolás végeredménye: 98MWh / 325t = 300Wh/kg

Az ólomsavas akkuk 40Wh/kg-ot tudnak, a NiMH aksik 80Wh/kg-ot, és a jelenlegi csúcs LiFePo4 akku 139Wh/kg.
 
  • Tetszik
Reactions: endre, Cifu, Rotten878 and 8 others

Hpasp​


Ez a megközelítés már jobban tetszik! :)
Most már kivárom a sorozat végét, hogy megtudjam, hogy víz alatt mekkora sebességgel mekkora hatótávolsága van ennek a ladiknak.
 
fip7 said:

Hpasp​


Ez a megközelítés már jobban tetszik! :)
Most már kivárom a sorozat végét, hogy megtudjam, hogy víz alatt mekkora sebességgel mekkora hatótávolsága van ennek a ladiknak.
Kattints ide a kinyitáshoz...

Össze lesz hasonlítva a végén az összes AIP variáció, az 1. és 2. generációs üzemanyag cella, a Stirling motor, a MESMA, és a sima Li-ion akkus megoldás is, előnyök, hátrányok, és hatásfok szerint.
 
  • Tetszik
Reactions: endre, Gspzoli, fip7 and 9 others
2021-03-06-07-38-27-Window.jpg

PEM üzemanyagcellás modulok tesztállványba szerelve[1]​

A hidrogén energiatartalma 33.3kWh/kg, amit a PEM egység 59%[2] hatásfokkal 33.3kWh/kg ∙ 59% = 19.65 kWh/kg alakít villamos energiává. A 212A típusú tengeralattjárókba 9db 34kW-os PEM egység került, amikből egy tartalék, így a nyolc üzemelő PEM névleges összteljesítménye 272kW, és a névleges teljesítményéhez szükséges hidrogén fogyasztás 272kWh / 19.65 kWh/kg = 13.8kg/h. A fedélzeten tárolt 5t hidrogén 5000kg / (13.8kg/h ∙ 24h) = 15 napnyi vízalatti autonómiát tesz lehetővé, névleges teljesítményen.

2021-03-06-11-03-03-Window.jpg

hatékonysági görbe[3]​

Mivel a 1700kW-os Siemens PERMASYN motor hatásfoka kis teljesítményen 80%-os, és a fedélzeti berendezések összfogyasztása ~100kWh[4] nagyságrendben lehet, a meghajtásra így 172kW marad nominális AIP teljesítményen: 172kW ∙ 80% ∙ 1.34shp/kW ≈ 184shp a hajócsavarra leadott teljesítmény.

Becsült nominális AIP sebesség, a hajó méretadataiból (hossz L=56m, átmérő D=7m)[5]
V=25 ∙ ³√( P / [L ∙ D ∙ 10.765]) = 25 ∙ ³√( 184shp / [ 56m ∙ 7m ∙ 10.765]) ≈ 8kts

A 15 nap alatt 8 csomóval megtehető távolság: 8kts ∙ 24h ∙ 15nap = 2900 tengeri mérföld.

Amennyiben az akkumulátorokat is használják a meghajtásra, az egység pár órán át tartható maximális sebessége…
Mivel a 1700kW-os Siemens PERMASYN motor hatásfoka névleges teljesítményen 95%-os, így: 1700kW ∙ 95% ∙ 1.34shp/kW ≈ 2164shp az általa leadott maximális teljesítmény, így a maximális vízalatti sebesség, V=25 ∙ ³√( P / [L ∙ D ∙ 10.765]) = 25 ∙ ³√( 2164shp / [ 56m ∙ 7m ∙ 10.765]) ≈ 20kts


MTU 16V396 dízel aggregátor

707-16-V396-Aggregat-6-mtu.jpg

Német tengeralattjáró MTU meghajtása[6]

Felszíni menetben, vagy sznorkelezés közben a névleges fordulaton (2000rpm) 2150kW-os teljesítményű, 16 hengeres MTU 16V396 dízelmotor töltheti az akkumulátorokat, illetve 12 csomó sebességgel hajthatja a hajót. A 7.1t tömegű dízel, és a teljes gépészeti blokk el van szigetelve a hajótesttől, így üzem közben az egység zajszintje 136dB[7]-re csökkent a korábbi 209-es osztály 144dB-hez képest. A fedélzeten tárolt dízelgázolaj felhasználásával a 212A felszínen vagy sznorkelezve maximálisan 8000 tengeri mérföld távolságot tehet meg, 28 nap alatt.


Európai AIP megoldások összehasonlítása

2021-03-10-21-33-14-Window.jpg

* a megadott maximális tartós vízalatti sebesség mellett
** német ThyssenKrupp Marine Systems
*** svéd Saab Kockums[8]
**** francia Direction des Constructions Navales, jelenleg Naval Group[9]

2021-03-11-07-12-42-Window.jpg

* Mivel a vízben terjedő hangot más alapszinthez viszonyítjuk, így a fenti értékekhez a víz alatt +26dB-t hozzá kell adni.
** Becslésem szerint
*** DFATR-PEMFC The Probable AIP Structure of Submarine SMX® Ocean (concept) - Bakst System Engineering & Consulting – 37. oldal
**** Stirling Engine Assessment - Electric Power Research Institute – 58. oldal

Ahhoz, hogy a körülményes (egy napon át tartó) töltés és a (szó szerint) nehézkes hidrogén tárolás problémáját megkerüljék, lehetséges dízelgázolajból (vagy akár metanolból) is hidrogéngázt kinyerni.


2021-03-10-21-25-53-Window.jpg

Dízelüzemanyag-átalakító - PEMFC[10]​

A dízelgázolaj kéntelenítése után (metanol alkalmazása esetén ez a lépés kimarad), magas hőmérsékleten (>700°C), víz és oxigén hozzáadása mellett, hidrogén, szénmonoxid és metán keletkezik. Két újabb 450°C és 220°C katalizátor fokozat után lehet csak az üzemanyag cellához szükséges tisztaságú hidrogént kinyerni. A fenti folyamathoz szükséges eszközök tömege és hatásfoka rontja az AIP jellemzőit.


[1] SINAVY PEM Fuel Cells For Submarines – Siemens – 10. oldal
[2] SINAVY PEM Fuel Cells For Submarines - Siemens – 8. oldal
[3] SINAVY DC-Prop and SINAVY PERMASYN® Integrated Propulsion Solutions for Submarines - Siemens – 17. oldal
[4] STRATEGIC antisubmarine warfare AND NAVAL STRATEGY – Lexington books – 145. oldal
[5] STRATEGIC antisubmarine warfare AND NAVAL STRATEGY – Lexington books – 143. oldal
[6] https://www.mtu-solutions.com/eu/de/stories/marine/deutsches-u-boot-mit-mtu-antrieb.html
[7] Корабельная гидроакустическая техника. Состояние и актуальные проблемы (2004) - ЦНИИ“Морфизприбор – 51. oldal
[8] Poland’s ‘Orka’ submarine program. Part 3. The A26 submarines – SAAB Group – 4. oldal
[9] DCNS - AUTONOMY BOOSTING SECTIONS video
[10] DFATR-PEMFC The Probable AIP Structure of Submarine SMX® Ocean (concept) - Bakst System Engineering & Consulting – 18. oldal
 
  • Tetszik
Reactions: Elkhound, endre, wankel and 18 others
A német U-212A tengeralattjáró AIP meghajtása

A fórumban, 17 forrás felhasználásával, a német U-212A tengeralattjáró AIP meghajtásáról, sorozat került publikálásra, kitekintéssel a többi európai megoldásra is.
Ezek lettek most egybegyúrva és közzétéve egy magyarul ilyen formában még tán nem megjelent anyagként.

A 10 oldalas PDF formátumú anyag letölthető az alábbi linkről.
 
  • Tetszik
Reactions: endre, wankel, Negan and 12 others

Hpasp​


Szép munka, gratulálok!
Szerinted mi lehet az oka annak, hogy a Japánok a különböző AIP megoldások megvizsgálása után arra jutottak, hogy a legújabb hajóikat simán lítium aksisra építik?

Engem az általad leírtak megerősítettek abban, hogy:
Szerintem a leghatékonyabb megoldás a sok lítiumos aksi + dízel helyet Stirling motoros légperiszkópos meghajtás.
 
fip7 said:

Hpasp​


Szép munka, gratulálok!
Szerinted mi lehet az oka annak, hogy a Japánok a különböző AIP megoldások megvizsgálása után arra jutottak, hogy a legújabb hajóikat simán lítium aksisra építik?

Engem az általad leírtak megerősítettek abban, hogy:
Szerintem a leghatékonyabb megoldás a sok lítiumos aksi + dízel helyet Stirling motoros légperiszkópos meghajtás.
Kattints ide a kinyitáshoz...

Légperiszkópot könnyű kiszúrni, és utána drónnal követni.
Tudtommal a japcsik visszatáncoltak a Li-ion meghajtásból, és a Kockums Stirling motorját licenszelik, bár ebben @Cifu biztosan jobban értesült nálam.
 
  • Tetszik
Reactions: endre
Hpasp said:
Kiszámolhatjuk... :D
5t hidrogén energiatartalma 33.3kWh/kg x 5000kg x 59% (PEM cella hatásfok) = 98MWh
Az egész hóbelevanc AIP egység tömege becslésem szerint 325t.
Vagyis az egész PEM cellás energiatárolás végeredménye: 98MWh / 325t = 300Wh/kg

Az ólomsavas akkuk 40Wh/kg-ot tudnak, a NiMH aksik 80Wh/kg-ot, és a jelenlegi csúcs LiFePo4 akku 139Wh/kg.
Kattints ide a kinyitáshoz...

@fip7 legyen meg a nuki opció is, csak hogy korrektek legyünk.

A General Electric S3G reaktora és gépészete 1680t súlyú, és 15000LE x 0.75 = 11.25MW-ot tudott leadni maximális teljesítményen (EFPH - Equivalent Full Power Hours) 18'000 órán át.

11.25MW x 18000h / 1680 t = 120kWh/kg

1000x (!!!) energiatárolás (három nagyságrend), tömegarányosan.
 
  • Tetszik
  • Hűha
Reactions: endre, wankel, Negan and 5 others
Válasz írásához be kell jelentkezned.
Ugrás az oldal tetejére Bottom
Back